1 引言
傳統的逆變器由于輸出的pwm脈沖波電平數很少，因此存在很高的電壓變化率和共模電壓，而且波形諧波含量較大，使得輸出濾波器的設計更加復雜。為了解決這些問題，發展了各種多電平逆變器電路[1]。
所謂多電平逆變器，就是采用多個直流電源和電力電子器件經過特定的拓撲變換，控制不同的直流電源輸出，將其組合成不同幅值的多電平交流輸出的功率變換裝置[2]。這種逆變器在高壓大容量電力電子系統中發展迅速，成為電力電子領域新的研究熱點。
自1980年日本學者a.nabse提出三電平中點箝位式逆變電路[3]以來，經過多年的發展。至今，已形成了二極管箝位型、飛跨電容型、級聯型三類基本的電路拓撲結構[4]。這三種拓撲結構都具有各自的特點以及優缺點。二極管箝位型多電平逆變器是開發最早的一種多電平逆變器。這種逆變器的特點是主電路和控制電路比較簡單，控制方法也比較簡單，便于雙向功率流動的控制，缺點是所需器件較多需要大量的箝位二極管。飛跨電容型多電平逆變器是用飛跨電容取代二極管對功率開關進行箝位，因為使用大量電容器，使得器件體積較大并且存在電容充放電電壓平衡問題，因此在實際中應用不多。級聯h橋式逆變器，具有容易實現模塊化，易于拓展等優點，得到了廣泛的關注。但是級聯式多電平逆變器需要大量的直流電壓源，限制了其在實際中的應用[5]。
針對傳統逆變器拓撲的上述不足，本文提出了一種新型7電平電壓源型逆變器。其電路拓撲只需要10個單向功率開關就可以實現7電平交流輸出。與傳統的七電平電壓源逆變器相比，具有開關器件少，控制簡單等優點。
2 電路結構
圖1給出了新型電壓源型多電平逆變器的電路拓撲。表1給出了在輸出7電平的情況下，該改進型電路需要的元件與傳統的幾種電路需的元件數目比較。
表1 元件數目比較
圖1 主電路結構圖
圖1中的開關器件sa1、sa2、sa1’、sa2’構成了傳統的三電平箝位二極管電路，sb1、sb2、sb1’、sb2’也構成了三電平箝位二極管電路。將兩個電路合并成了全橋五電平鉗位二極管電路。在此基礎上，增加4個開關器件sc和sc’，就構成了新型電路拓撲。功率開關管sc和sc’，sa1和sa1’，sa2和sa2’，sb1和sb1’，sb2和sb2’，分別工作在互補狀態。這樣就只有5個可以獨立通斷的開關器件sb1、sb2、sa1、sa2和sc共可以產生出32種開關組合方式，其中14種為有效的開關組合方式。可在交流側合成7種不同的輸出電壓，分別為±3e、±2e、±e和0。
3 電路工作原理
圖1所示的電路共有14種有效的開關組合方式，其開關組合方式如表2所示。
表2 逆變器的運行狀態
表2列出了14種有效的開關狀態。由于篇幅有限，圖2僅給出其中8種開關狀態的等效電路。
(a) (b) (c) (d)
(e) (f) (g) (h)
圖2 等效電路
開關狀態1等效電路如圖2（a）所示，在這種組合方式中，開關管sc’、sa1、sa2、sb1’、sb2’處于導通狀態。由2個串聯的分壓電容提供輸出為2e的電壓。
開關狀態2等效電路如圖2（b）所示，在這種組合方式中，開關管sc’、 sa1、sa2、sb2和sb1’處于導通狀態。由1個分壓電容提供為e的輸出電壓。
開關狀態3等效電路如圖2（c）所示，在這種組合方式中，開關管sa2、sa1’、sc、sb2和sb1’處于導通狀態。直流電壓源沒有被接入電路。輸出電壓為0。
開關狀態4等效電路如圖2（d）所示，在這種組合方式中，開關管sa2、sa1’、sc’、sb2和sb1’處于導通狀態。直流電壓源沒有被接入電路。輸出電壓為0。
開關狀態5等效電路如圖2（e）所示，在這種組合方式中，開關管sa1’、 sa2’、sc’、sb2和sb1’處于導通狀態。由1個分壓電容提供為e的輸出電壓。
開關狀態6等效電路如圖2（f）所示，在這種組合方式中，開關管sc’、sa1’、sa2’、sb1、sb2處于導通狀態。由2個串聯的分壓電容提供輸出為2e的電壓。
開關狀態7等效電路如圖2（g）所示，在這種組合方式中，開關管sc、sa1’、sa2’、sb1、sb2處于導通狀態。由2個分壓電容以及1個直流電壓源串聯提供輸出為-3e的電壓。
開關狀態8等效電路如圖2（h）所示，在這種組合方式中，開關管sc、sa1、sa2、sb1’、sb2’處于導通狀態。由2個分壓電容以及1個直流電壓源串聯提供輸出為3e的電壓。
未給出的開關狀態的基本工作原理與已給出的8種開關方式完全相同。本文不再贅述。
4 控制策略
pwm技術中應用最為普遍的是正弦脈寬調制(spwm)和電壓空間矢量脈寬調制(svpwm)。在多電平逆變器中正弦脈寬調制應用比較廣泛。而正弦脈寬調制又分為載波位移調制和移向載波調制。由于新型電路有多達14種的有效開關組合方式，因此控制方法的選取上也更加靈活。由于篇幅有限，本文給出了新型電路的spwm控制方法。如圖3所示。在該電路中共有10個開關器件，sc和sc’，sa1和sa1’，sa2和sa2’，sb1和sb1’，以及 sb2和sb2’分別工作在互補狀態。根據電路拓撲的結構特點a、b橋臂以及開關管sc和sc’要分別控制。載波采用反相三角波層疊方式。a橋臂和b橋臂的載波在相位上相差1/4周期。a、b橋臂采用反相的正弦波作為調制波，其幅值相等，以使a、b橋臂的輸出電壓具有大小相等相位相反的基波電壓，以便于疊加。開關管sc和sc’負責產生2e和3e的電壓。sa1和sa1’，sa2和sa2’，sb1和sb1’， sb2和sb2’負責產生2e和e的電壓以及負責控制電壓為正或負。
圖3 spwm工作原理
5 仿真實驗結果
為驗證所提出的新型拓撲以及控制方法的正確性。本文使用了matlab軟件對所提出的新型拓撲以及控制方法進行了仿真研究，取e（1個電平的電壓值）=50v，調制比m=0.8，三角載波頻率fc=1khz，負載由1個8ω電阻和1個7mh的電感串聯而成。系統仿真模型如圖4所示。仿真試驗結果如圖5所示。
圖4 系統仿真模型
（a）輸出電壓波形
（b）輸出電流波形
圖5 逆變器仿真結果
圖5（a）為逆變器的輸出電壓波形，利用開關組合可以合成如圖5所示的電壓輸出，共有7種不同的電平輸出為0、±50、±100、±150。圖5（b）為逆變器的輸出電流波形。
6 結束語
本文主要研究了多電平逆變器的主電路拓撲結構。提出了一種新型七電平電壓型逆變器，新的電路拓撲相比于傳統七電平逆變器所需器件少，可靠性高。并且由于電路拓撲結構是在傳統箝位二極管電路的基礎上擴展得到的。所以，電路的拓展比較容易。
作者簡介
侯李祥（1986-） 男 碩士研究生，研究方向為電力電子技術及其在風力發電中的應用。
呂躍剛（1958-） 男 教授/碩士生導師，研究方向為風力發電控制技術。
參考文獻
[1] rodriguez j.multilevel inverters:a survey of topologies, controls,and applications[j].ieee transbbbbbbs on industry electronics,2002,49(4):724-738.
[2] 李永東,肖曦,高躍.大容量多電平變換器[m].北京:科學出版社,2005.
[3] nabae a,et al.a new neutral-point-clamped pwm inverter[c].ias’80,1980:761-766.
[4] lai j s,peng f z.multilevel converters-a new breed of power converters[j].ieee transbbbbbbs on industry applications,1996,32(3):509-517.
[5] 劉鳳君.多電平逆變技術及其應用[m].北京:機械工業出版社，2007:1-8.
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
